什么是数据采集？

在虚拟仪器应用领域中，涉及到数据采集应用的项目应该是占有很大比重。那么，究竟什么是数据采集？为什么要进行数据采集？基于什么样的原则设计数据采集系统？这些正是所要探讨的问题。在探讨这些问题之前，有必要说明的是：我使用的是labview虚拟仪器软件开发平台（纯LabVIEW）及与这个平台无缝连接的NI公司的硬件板卡，所以本文中仅仅涉及这些产品，对其它厂商的产品未必适合。

我们的世界
       众所周知，我们赖以生存的世界是一个五彩缤纷的模拟世界，这个五彩缤纷的模拟世界中的所有对象（世间万物）都是随时间连续不断变化的（时域信号）。换句话说，模拟世界的一切对象都是时间的连续函数。模拟世界最显著的特点就是：“从宇宙诞生开始，直到宇宙灭亡为止这段期间内，时间是这个世界永恒的X坐标轴”。
       对这个真实的世界，人类自从它诞生的那天起就开始不断地探索它的秘密，人们对事物的观察手段、分析方法及对事物的处理方式等，一直是随着科学技术的不断进步而不断地发生着变化，这里也仅仅从测量仪表这个角度来回顾一下这些改变。
测量仪表的基本分类
模拟式仪表：“模拟仪表”这个词，并不是人们对“仪表”的原始称呼，是当数字式仪表出现后，为了能够与数字式仪表相区别人们才将传统的仪表称为“模拟仪表”。
                     模拟仪表的原理大多都是依赖电工、电子学（模拟放大）的一些基本原理，所以人们又称之为传统仪表。模拟仪表在对信号进行测量时，采用的是实时测量方式或者说是连续测量方式的，在整个测量过程中，是不存在着时间上的间断点。比如：早期的电度表（电能表）、指针式电压表、电流表等等。
模拟仪表由于指针（或转动部件）有很大的阻尼作用，所以快速变化的信号或瞬时变化的信号是不敏感的。对于一些快速变化的瞬时信号，一般是借助于模拟示波器来观测，通过模拟示波器我们还可以看多个信号之间的相位差。
           “模拟仪表”最大的特点是制造简单、使用方便，显示直观、价格低廉，尽管准确度（精确度）不高，但还是使用的相当普遍的，到目前也是如此。
数字式仪表：数字仪表或称数字式仪表，如：数字式电压表、数字式频率表、数字式万用表等等，基本还是采用模拟测量的原理，而用数字显示的方式显示测量结果（专用A/D转换器）。这类的仪表被统称为数字式仪表。
由于此类仪表利用了现代模拟电子技术改进了测量原理，所以通常这类仪表的准确度较高。比如：双积分式数字电压表、数字万用表等等。
我刚参加工作（1971年）在本地的一个无线电厂，该厂就生产双积分式数字电压表，其中的输入放大器和积分器还是电子管电路的。大概到了73-74年才开始使用模拟运算放大器（国内型号FC3大概相当于国外的uA 709）。
尽管后来人们在仪表中嵌入了微处理器，但微处理器也仅仅是用来控制测量过程和数据处理及接口并不直接参与测量过程，测量电路还是基于模拟电子技术构成，那个时期人们对A/D转换器的原理和设计关注的更多。此类仪表被冠名为：智能化仪表。目前世界顶级的数字式万用表Fluke 8508A（8位半显示，多重积分技术）仍是基于这种方式，但其DC测量精确度：可达几个ppm (1ppm表示百万分之一)。
实际上，此时的模拟仪表与数字式仪表相比，已经从测量的本质上发生了根本的改变。我们前面谈到模拟仪表是实时地测量被测信号，时间上是连续的没有间断点，而数字式仪表的工作原理已经改变这一方式。以双积分式数字电压表为例：双积分式数字电压表对信号（DC）的测量分为两个阶段，T1时间对被测信号进行积分，而T2时间对内部参考进行积分，显然在T2时间内不会反映信号中的任何信息。所以，从时间的连续性上看，此种测量方式出现了信号时间上的断点。
从某种意义上讲：数字化仪表将测量过程分成两个阶段，对信号的“取样（采样、采集）”阶段和内部转换处理阶段。由于信号（DC）变化很缓慢，所以人们充分利用了信号的这一特性，用“取样”测量的方法来代替过去传统的连续测量方法。
事实上，我们的祖先早就使用“取样”这个原理来观测天体的运行。因为宇宙中星体之间的相对位置变化很慢，连续观测是没有实质意义。所以远古的人们就采用隔一段时间（一天、一月、一年）来“取样”观测它们之间的相对位置，从而得知天体的运行规律。
                     用“取样”的方式进行测量，必要的条件是：被测信号随时间变化应很慢。同时人们也得到了这样一个启示，获得信号中的有用信息不一定要进行实时测量。那么接着问题就来了，对于变化较快的信号又如何“取样”才能保证信号中的信息不丢失呢？
“取样定理”（又称为：香农定理、奈奎斯特定理）告诉了我们如何对快速变化的信号进行取样。“若信号频率为：f那么保证信号信息不会丢失的取样频率：F大于2f ”。基于这个定理又导致了测量方法发生了巨大的改变。
                     尽管现代模拟电子技术发展到了相当高的水平，但用模拟的方式设计某些电路还是相当困难的，比如：电能表的核心部件如果采用模拟乘法器设计，即便是在50Hz下做到0.5%的准确度都是极为不易的，代价是昂贵的。但通过取样技术可以大大降低实用技术上的难度。举个例子：现在很多民用1.0级的单、三相电能表都是使用专用电子式电能表IC芯片生产的（很容易达到0.5%的准确度）。而这种IC中就包含了基于取样技术的16BitA/D转换器及简单的DSP处理器。
                     在有些特殊的情况下，采用取样的方法是不行的。记得82年刚接触时间频率计量的时候，对频率标准进行频率稳定度评价公认的方法是使用“阿仑方差”来进行计算，“阿仑方差”就要求取样是无时间断点的。
数字化仪器：我不知道用“数字化仪器”能否代表下面的表述。随着计算机技术的出现及不断发展，IC设计的日趋完美，彻底改变了人们对事物的观察手段、分析方法及对事物的处理方式，整个世界都进入了“数字化”时代。铺天盖地的新名词：数字电话、数字电视、数字音响、数码相机、数码摄像机等等令人眼花缭乱。好端端的一个五彩缤纷的模拟世界，怎么会转眼间一切都数字化了呢？
导致这一现象的主要原因是计算机（微处理器）以及数字信号处理软、硬件的
飞速发展；人们发现过去许多以往难以做到的事情，利用计算机（微处理器）来实现则变得非常简单、方便。比如前面谈到的乘法器，对计算机而言仅仅是执行一条乘法指令，运算速度和运算结果的准确度毫无任何问题。所以我们可以将许多复杂的处理交给计算机来完成，唯一的问题是计算机无法直接与模拟世界打交道。
依据取样定理人们知道如何保证信息不会丢失，因此数据采集技术成为计算机与模拟世界打交道的重要转换环节（A/D）。人们开始把更多的注意力集中放在了如何设计更好的数据采集单元及更好的数字信号处理方法上。同时，虚拟仪器技术正好符合这个发展趋势，大大的推动或带动了数字化测量的进一步发展。人们甚至都不太关心各种物理量与测量的关系，这些由传感器制造商来完成。他们更为关心的是如何将信号（传感器的输出）准确的变换为计算机可识别的数据及如何设计信号处理软件。
这种数据采集+软件分析、处理的模式已经引发了测试、测量领域的一场大革命，而引导这场革命的先驱者正是虚拟仪器技术。虚拟仪器技术的创始者NI公司可提供基于各种总线技术的数据采集卡（DAQ）及性能优异的驱动软件（DAQmx）与威力无比的LabVIEW及信号分析、处理工具包。
试想一下，如果现在要做一个音频的扫频测试项目，你还会用音频信号源、失真度仪、音频相位表、两台有效值电压表和示波器来搭建吗？何不用一块NI 4461来完成，顺便体会一下“软件就是仪器”的含义。
事实上，不仅存在着“软件就是仪器”的实例，现在好多硬件的设计已经转变为通过软件设计来完成，如：ARM微处理器、FPGA设计（使用VHDL语言或LabVIEW）等等，这些内容已超出我们讨论的范围，在此就不多谈了。
而在上面提到的数字化产品及数字化的特点在这里就不做更多说明了。

现在我们知道数字化处理过程就是：模拟信号——A/D——计算机处理——D/A——还原为模拟信号。最能够说明这个道理的例子就是“手机”。